北京四中光合作用与生物固氮教材教法分析ppt课件.ppt

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1、高三生物教材教法分析光合作用和生物固氮北京市中关村中学 高俊英2006年8月30日,知识内容,1光合作用的概念2光合作用的发现3叶绿体及其色素（色素提取与分离）4C3植物和C4植物（概念及叶片结构等）5光合作用的C3途径和C4途径（选学）,6影响光合作用的因素,提高光合作用效率的主要措施及原理7光合作用的重要意义8生物固氮及其意义（固氮微生物的种类、固氮作用和生物固氮的概念） 9生物固氮过程（选学） 10生物固氮在农业生产中的应用,原则：在高二知识的基础上找出教学的生长点和拓展点，过渡自然，教学有新意，从新高度理解新旧知识，整合知识。紧紧抓住光合作用中的物质转变和能量转变，理解光合作用是生物界

2、最基本的物质代谢，理解光合作用在生态系统的物质循环和能量流动中的重要地位，理解光合作用对生物进化的重要作用。,教学建议,从光合作用过程来分析影响光合作用的主要因素有哪些？结合生活实际分析，深刻理解轮作、合理密植、施有机肥等有利于作物的光合作用的原因，特别注意在具体问题情景中，用相关知识解决农业、生活实践中的一些问题。,第一节 光合作用一、光能在叶绿体中的转换二、C3植物和C4植物 C4途径(选学)三、提高农作物的光能利用率,一、光能在叶绿体中的转换(难点),教学建议：以图为载体(直观化),利用学过的物化生知识(认知基础),问题驱动(兴趣),能量转换的三个步骤 光能电能活跃化学能稳定化学能 ,教

3、学难点,（1）A、B表示色素，它们分别代表什么色素以及各自的作用(复习)。（2）特殊状态的叶绿素a在光的照射下发生了什么变化？（3）特殊状态的叶绿素a失去的电子后自身的氧化还原性质的前后变化情况怎样？（5）失去电子的叶绿体a最终从什么物质中获得电子恢复稳定状态？该物质发生了什么变化？并写出物质变化的反应简式。,（一）光能电能,（6）特殊状态的叶绿素a在光照下连续不断失电子和得电子形成电子流，从物理学角度，表示能量形式发生了什么变化？（7）能量转换的场所？（与高二知识内容衔接，提示：叶绿体的囊状结构即类囊体。）(8)分析回答氧气的来源和产生的原因; 如何证明氧气来自于水的光解?(复习),反应中心

4、,得e还,失e氧,光化学反应是指作用中心色素分子吸收光能所起的氧化还原反应,叶绿素的光化学反应荧光和磷光特性,三线态,叶绿素分子含有许多电子,在不照光的条件下,处在各自轨道的最低态(基态),吸收光能后,处于特殊位置上的电子被光量子所激发跃迁到高能级的轨道上,称单线激发态.其寿命短, 10-10s. 激发态的叶绿素可能有三种出路:能量传给其他色素或进行光化学反应;通过释放荧光或热能回到基态,在有机溶剂中,叶绿素有很强的荧光,但在叶绿体中荧光很弱.;转入长命10-3s的三线激发态,通过释放磷光回到基态.,（1）特殊状态叶绿素a分子得失电子根本原因?（2）水的光解产生的电子最终传递给什么物质，并生成

5、了什么物质？反应需何条件？尝试写出物质变化的反应式。（3） H+不平衡？水形成H+的去路？如何形成ATP？ （4）在物质形成过程中，能量形式发生变化情（5）电能转换成活跃的化学能，贮存在物质中？（6）能量转换的场所？,（二）电能活跃的化学能,在电子传递过程中实现光能转换为化学能,（三）活跃的化学能稳定的化学能,温故知新（1） ATP和NADPH有什么特点？（2） ATP和NADPH参与暗反应阶段的什么过程？（3）在此过程中能量形式发生的变化以及场所？,（四）总结 -从过程角度,（四）总结 -从能量转换角度,（四）总结 -从物质和能量两方面,物质变化水的光解、释放氧气ATP 的形成NADPH的形

6、成CO2的固定和还原糖类等有机物形成,能量转换光能转变为电能电能转变为活跃的化学能活跃的化学能转变为稳定的化学能,二、 C3植物和C4植物,C3植物和C4植物的概念C3植物和C4植物叶片结构的特点C4植物光合作用的特点理解: 对CO2 利用能力高,光合效率高研究方法：示踪法；观察法渗透: 功能与结构统一,设计思路,方法一：从C3，C4途径的发现史引入 提供原始材料，了解美国化学家卡尔文对C3植物的暗反应的研究成果。 或回忆问题：科学家主要利用什么研究方法来追踪二氧化碳是如何在暗反应中一步步变成碳水化合物？（示踪技术，发现C3途径/卡尔文循环）；介绍C4植物的发现过程。比较不同及其特点；C4植物

7、概念。,澳大利亚科学家M.D.Hatch和C.R.Slack在研究玉米、甘蔗等原产热带地区的绿色植物发现，当向这些绿色植物提供14C时，光合作用开始后的1秒内， 90以上的14C出现在含有四个碳原子的有机酸（C4）中。随着光合作用的进行，C4中的14C逐渐减少，而C3中的14C逐渐增多。教材P29,方法二：通过用显微镜观察C3植物和C4植物叶片结构（感性认识），了解C3植物和C4植物的叶片结构的不同从而进行C4途径的教学。,（二）C3植物和C4植物叶片结构,(三) C4途径教学的探究设计,疑问: C3植物和C4植物在叶的结构上有什么不同？在光合作用的过程上有什么不同？ 示C4植物不同与C3的事

8、实: 生长在温度较高(对温度的反应不同) 对CO2的反应不同 固定CO2的酶与CO2的亲和力不同(60倍)。 光合效率不同； C4发现过程的放射性实验等 C4中只有维管束鞘细胞的叶绿体中含淀粉粒,(四 )C4植物光合作用过程,特点：首先进入化合物,其实是在卡尔文循环加一个输送过程,CO2,C4途径的类型（教师拓展）苹果酸酶类型,叶绿体叶肉细胞,叶绿体维管束鞘细胞,羧激酶类型,叶绿体叶肉细胞,叶绿体维管束鞘细胞,苹果酸酶类型,叶绿体叶肉细胞,叶绿体维管束鞘细胞,与C3植物光合作用过程比较,C4途径的意义,在高温、光照强烈和干旱的条件下，叶片气孔关闭,能够利用叶肉细胞间隙中含量很低的CO2进行光合

9、作用，提高了光合作用的效率。(C3植物则不能),（二）C3/C4植物,1、C3植物 概念：光合作用的暗反应中，CO2固定后的第一个产物是C3化合物的植物。 光合作用的特点：,常见植物：大豆、小麦、水稻、菜豆、马铃薯等大多数植物均属于C3植物。分布：C3作物生长在温度较低环境，主要分布在温带和寒带,2、C4植物概念：光合作用的暗反应中，CO2固定后的第一产物是C4化合物的植物，有C4途径的植物。光合作用特点：,常见植物：玉米、高粱、甘蔗等属于C4植物。分布：生长在温度较高地区，主要分布在热带、亚热带，很多是原产于热带,C3 、C4 植物光合生理特性,PEP酶对CO2亲和力高60倍,光合速率高,小

10、结,植物碳代谢途径中，C3途径分布最广，不仅是C3植物同化CO2的途径，也是C4植物最终同化CO2的途径。C4可能是由C3途径进化来的。如高粱玉米幼苗最初形成的幼叶是C3途径的，要到一定时候形成的叶片才具有典型的C4途径。如何鉴别两类植物？（P31课外读）,三、提高农作物的光能利用率,教学分析：这部分知识要求高，能够综合运用光合作用过程和影响光合作用的因素等相关的知识、技能和研究方法，通过分析、综合、推理和判断等过程，正确解答实际问题。学生分析：知识方面学生已经有一定的基础；对光能利用率等某些概念模糊；对作物栽培的措施缺乏感性认识。教学建议：在概念理清的基础上，出示与生产实际相关的问题进行讨论

11、，即复习旧知识，又培养能力，再总结归纳。,1、光能利用率:指植物光合产物中所贮存的能量占照射到地面上日光能量的百分率2、光合速率 光合作用的常用指标光合速率:单位时间单位植物材料所吸收的CO2的量(mgCO2/cm2/h)净光合速率(表观光合速率)(通常测定)真光合速率=净光合速率+呼吸速率,(一)关注的几个概念,(二)教学建议,问题:如何提高光能利用率,提高产量？1.增加光合面积合理密植:作物特性和栽培条件;不妨碍个体正常生长发育;充分发挥群体对光能的利用效率和土地利用能力，合适的肥水管理改变株型:玉米,株高适中，秆粗、叶直而小、叶厚、分蘖密集是较理想的株型。个体之间相互遮阴较少，中、下层叶

12、能获得较多光能。,2.延长光合时间:提高复种指数,合理的间套作 提高复种指数就是增加收获面积，延长单位土地面积上作物的光合时间。主要措施是进行合理轮栽、间作、套种和育苗移栽，使不同种类的作物巧妙搭配和合理分布，从时间上和空间上更好地利用光能，提高光能利用率。 3.提高光合速率(降低呼吸消耗),影响光合作用的因素有哪些？,（1）植物内部因素： 种或品种的差异:内在的光能转化效率,育种实现.改变光饱和点CO2补偿点 叶年龄（2）外部因素,光照,间接影响 叶绿体发育和叶绿素合成的必要条件;影响气孔开闭.光是光合作用的能量来源;光强度直接影响光合速率.光补偿点饱和点的意义（点净光合速率为零）. 阴生植

13、物阳生植物适合的光强度不同4.光质不同也影响作物的光合作用 .5解释有些植物在光强继续增加时，反而表现出光合速率下降原因：强光会使叶绿素发生光氧化；往往导致高温，易造成水分亏缺、气孔关闭和供应不足。,二氧化碳,光合速率,.光合作用的主要原料 CO2补偿点饱和点的意义.植物补偿点不同.在CO2浓度0.1%0.3%时，植物的光合速率增加倍，增加倍。提高大气CO2浓度能大大提高光合速率。,空气中的二氧化碳含量一般300mg/l，农作物最适1000mg/l.当植物旺盛生长、密植、水肥多时，所需的二氧化碳就更多，若只靠空气中二氧化碳本身的浓度差所造成的扩散作用满足不了植物对二氧化碳的需求。那么，如何提高

14、空气中二氧化碳的浓度呢？利用光合作用的原理，分析在农业生产中，采取哪些措施，改善对植物的CO2供应，从而利于植物提高光合速率？,思考问题,通风透光使用农家肥料，可以使土壤中微生物的数量增多，活动增强，分解有机物，放出二氧化碳。使用NH4HCO3 肥料植物的秸秆通过深耕埋于地下，可以通过微生物的分解作用产生二氧化碳。施用固体二氧化碳（干冰）。,覆盖栽培应用广泛,必需矿质元素与光合作用关系,氮：叶绿体膜结构的组成成分 叶绿素的组成成分 光合作用有关的酶的组成成分 NADP和ATP的组成成分磷：叶绿体膜结构的组成成分 NADP和ATP的组成成分钾：与糖类合成、运输有关镁：叶绿素的重要组成成分 对作物

15、光合作用影响最大的是氮，磷、钾三种元素。目前一般生产田主要是氮肥不足。,直接影响酶的活性高温降低光合的原因，一方面是高温破坏叶绿体和细胞质的结构，并使叶绿体的酶纯化，另一面是在高温时呼吸增强的速度大于光合增强速度 .C4植物的最适温度比C3植物高些,温度,水分,水分不足引起光合强度下降的原因，主要是：，叶片进行蒸腾作用所消耗的水分，得不到及时补充，叶组织含水量下降，气孔关闭，阻碍CO2向叶内扩散。当叶细胞严重缺水时，有机物输出绶慢和水解酶活性增强，叶细胞中可溶性碳水化合物增加，因而降低光合强度。试验证明，玉米叶片正常含水量若下降11%，光合强度要下降20%左右，含水量下降20%，光合强度则下降

16、52%。叶片缺水过甚会严重损害光合过程。,环境因子的综合作用（能力考查的重要载体）,各因子间的相互有影响,例如:光强增强温度增加大气湿度下降自然条件下环境因子多半是多因子综合发生作用的,导致光合作用的昼夜变化.光合作用的昼夜变化(重要考点例如,06年),2006高考选择题（曲线图）,10点峰 :一方面光强增加，温度渐升;另一方面光照使气孔开放,有利于CO2进入.光合作用速率加快“午睡”现象：光强和温度增加，空气相对湿度下降，叶子内外水汽压差增大，使植物蒸腾急剧上升，失水大于根系吸水,导致植物水分亏缺.植物体水分不足引起气孔关闭,影响光合作用速率下降,34点峰:光照温度下降,也因气孔关闭使蒸腾降

17、低,缓和了水分散失和吸收的矛盾,使植物的水分状况得到改善,所以光合作用速率增加,出现第二高峰.在薄云的天气中午光合作用速率下降现象就基本不出现.,补充：测定光合速率的主要方法,1、测定CO2吸收量: （1）红外CO2分析仪（精度高） （2）PH变换的间接方法：（精度低仪器简单） 原理：大气中CO2与低浓度碳酸氢钠溶液产生平衡. CO2+H2OHCO3-+H+ 当大气中CO2的浓度降低时，低浓度碳酸氢钠溶液放出CO2，引起溶液PH升高，反之。因而可以用比色法或PH计测量溶液中PH 的变化,计算大气中CO2的浓度。,2、半叶法测干重增加 清晨取一定量圆叶片，立即烘干至一恒量，下午用同样法取等量叶片

18、，再烤干。为防止有机物的运输，采用环割法（叶柄韧皮部）,补充：影响气孔运动主要的外在因子,光：多数植物气孔在光下张开，暗中关闭。 景天酸代谢型植物例外水分：植物含水量降低时，气孔张开度减小， 严重失水时引起气孔关闭CO2： CO2不利于气孔开放。在高浓度CO2中，气孔在光下的开放也会受阻温度：在030 的范围内，气孔张开的速度和张开度随温度的升高而加大。0 以下，30 以上不利于气孔张开。实验证明，高温抑制气孔开放与细胞间隙中CO2浓度增高有关,第二节 生物固氮,生物固氮共生固氮微生物和自生固氮微生物生物固氮的意义生物固氮在农业生产中的应用,引入:在活细胞内，氮是所有氨基酸、核酸（DNA和RN

19、A）及其他许多重要分子的主要成分，大部分生物不能直接利用大气中的氮，仅能利用氮的某种形式的化合物。,1.植物能吸收土壤中哪种形式的氮？2.为什么有些植物能利用大气中的氮气，如何利用?3.什么是生物固氮？哪些微生物具有固氮作用？固氮微生物的氮源、碳源、能源各是什么？4.为什么有些植物不能利用大气中的氮气?从理论上有没有办法让小麦、水稻等不具有固氮功能的作物具有固氮能力呢？如果能实现，将给人类带来哪些好处？,概念:固氮微生物将大气中的氮还原成氨的过程,一、生物固氮概念,二、固氮微生物种类,1、共生固氮微生物 2、自生固氮微生物,1、共生固氮微生物,能与绿色植物互利共生的固氮微生物：以根瘤菌为例研究

20、：（1）了解根瘤菌的形态特征,根瘤及根瘤菌,与豆科植物的关系 ：互利共生专一性（互接种族：大豆族； 豌豆族等）,根瘤菌的生理特点,如何理解根瘤菌与豆科植物的共生专一性？,根瘤菌属中的每一种细菌都与某几种豆科植物专一性的对应。（据此分成不同的族-互接种族：大豆族；豌豆族等）每一种根瘤菌只和与其具有专一性对应的几种豆科植物建立共生关系形成根瘤。原因是豆科植物的根毛能够分泌一种特殊的蛋白质，根瘤菌细胞的表面存在着多糖物质，只有同族豆科植物根毛分泌的蛋白质与同族根瘤菌细胞表面的糖类物质才能产生特异性结合。,生理特点：固氮能力代谢类型：需氧异养型,根瘤的形成过程,根生长刺激菌增殖聚集根毛顶端分泌酶破壁形

21、成感染丝侵入线内皮层薄壁细胞分裂 。,其他共生固氮生物,杨梅属等非豆科植物和弗兰克氏放线菌共生满江红（蕨类植物）和蓝绿藻共生,2、自生固氮微生物,在土壤中能独立生存并进行固氮的微生物 多数是一类叫自生固氮菌的细菌 (杆菌或短杆菌),自生固氮微生物种类,圆褐固氮菌好氧型自生固氮菌梭菌厌氧型自生固氮菌固氮蓝藻：如鱼腥藻、念珠藻、颤藻 代谢类型？（固氮蓝藻自氧型的固氮生物）,自生固氮微生物 -圆褐固氮菌,杆状单生或对生（8字形排列）荚膜,圆褐固氮菌生理功能,较强固氮能力 能分泌抗生素，促进植株的生长和果实的发育,固氮微生物几个问题,细胞类型：原核生物，包括细菌、蓝藻和放线菌等代谢类型：自养/异养/需

22、氧/厌氧自生与自养的区别（圆褐固氮菌自生异养）共生与异养,三、生物固氮过程简介(选学),1.在细胞内固氮酶的催化作用下进行的 。2.固氮酶：铁/钼;由固氮基因编码控制3.ATP;4.还原底物N2（有NH3存在时会抑制固氮作用）5.Mg2+6.严格的厌氧微环境,如何理解固氮微生物需氧而固氮须在严格的厌氧环境中进行？,组成固氮酶的蛋白质对氧极其敏感，遇氧导致失活。而大多数固氮菌都是好氧菌。固氮菌在进化过程中发展出多种机制来解决既需氧又要防止氧对固氮酶损伤的矛盾。,四、生物固氮意义,氮循环,1地球上氮素的存在形式2地球上固氮作用的三条途径。3.关注氮循环的主要环节： 生物体内有机氮的合成。 氨化作用

23、 硝化作用 反硝化作用,4.解释中耕松土有利于植物对氮的利用的原因?,氮循环几种微生物作用,五、生物固氮在农业生产中应用,（1） 固定氮素肥料,减少化肥使用量,节约能源,保护环境（2）对豆科植物进行瘤菌拌种,提高产量（3）用豆科植物做绿肥,提高土壤肥力和有机质,增加土壤的通气性和保水性（4）使用自生固氮菌制剂提供农作物氮素营养（5） 通过生物工程手段实现非豆科植物自行固氮,有无拌种根瘤菌的豌豆,实验：自生固氮菌的分离,目的要求 1.学会从土壤中分离自生固氮菌的方法 2.学会制作临时图片的方法 实验原理 利用在无氮培养基上只有自生固氮菌能生长繁殖的原理将其与其他细菌分离开 实验处理:学生操作 放

24、录象 课堂演示,重现实验,分析实验目的、原理、方法和操作步骤。对实验现象和结果进行解释。对实验方案作出分析和评价:变量?、如何控制变量的? 如何设置对照?等。改编为验证性实验,培养设计实验能力,光合作用发现的复习建议挖掘实验的生长点，进行实验研究思路和方法的训练，提高实验设计能力。处理方法可以根据学生能力/大纲要求等有所不同：,以题型出现(验证实验/探究实验),验证C3植物和C4植物叶片中淀粉粒的存在位置分别是叶肉细胞和维管束鞘细胞。 （1）实验原理： 。材料用具：盆栽天竺葵（C3植物）、盆栽玉米（C4植物）、酒精、碘液、显微镜、大烧杯、酒精灯、载玻片、盖玻片、镊子、滴管、清水等。 （2）实验

25、步骤与结果 （3）实验结论:,1771年，英国的普里斯特利发现植物可以更新空气。 1864年，德国的萨克斯发现光合作用产生淀粉。 1880年，美国的恩格尔曼发现叶绿体是进行光合作用的场所。鲁宾和卡门实验,证明光合作用释放的氧全部来自水,梳理发现史,植物同化CO2的主要途径 发现过程,卡尔文等把14CO2引进正在进行稳定光合作用的小球藻培养液，不同时间取样进行分析结果在引入14CO2 5S的样品中，占优势的标记产物是磷酸甘油酸（），当时间延长到30-90S时，除外，磷酸己糖以及其他的三、四五碳磷酸酯放射性标记增加，因此，是光合作用固定CO2以后的第一个稳定的产物。,卡尔文设计的巧妙的实验：,实验

26、一：对进行温度光合作用的植物突然停止光照，在黑暗的不同时间进行取样，发现停止光照后，迅速增加，二磷酸核酮糖（）则同步迅速减少（图）。实验说明，在细胞进行稳定光合作用时，和处在动态平衡状态，浓度保持在各自相对稳定的水平,实验二：当植物处于稳定光合作用时，将CO2浓度迅速从降低到.时，的浓度下降而浓度增加。说明和在CO2浓度变小时，的合成减少，而转化为磷酸甘油醛的反应仍然进行，的合成也能进行。实验一、二说明了什么？,关注教与学中的一些问题,1.如何识别C3C4植物?(显微观察法?)2.C4植物的叶肉细胞进行光合作用吗?3.C3和C4植物产生淀粉的部位?4.C4植物只有C途径？5.CO2固定需要能量

27、吗?,6.C3途径的重要性(是光合碳代谢中最基本的循环，是所有放氧光合生物所共有的同化CO2的途径 )7.在自然界和农业生产中,什么条件下将导致植物细胞内CO2浓度降低?8.设计实验证明C3C4植物对CO2的利用率不同(密封共培养法)9.示踪法在研究C4途径中的作用.-能力培养,10.固氮菌存在的场所及其在N循环(物质循环)中的作用(促进循环)11.固氮微生物形成的NH3如何被植物体吸收?(扩散到土壤)12.为什么有固氮能力?13.固氮产物有哪些?(NH3?NO3-)14.自生固氮菌的分离,我个人设计教学的一点想法,1.高度重视对基本事实、基本概念、基本原理和基本规律的学习 -能力的基础,高三

28、生物教学为考试,更为学生的发展.两者是统一的.,策略1：重视对基本概念的界定和理解; 记牢一些重要的结论,光合作用/C3和C4植物/维管束鞘/光合速率/光合作用效率/光能利用率/叶面积指数/光饱和点/光补偿点/阳阴生植物/生物固氮/固氮作用/硝化作用/反硝化作用/氨化作用/根瘤/自生固氮菌/共生固氮菌/拌种/通风/透光/绿肥/农肥/合理密植/套种/间种,策略：建构主干知识体系,以光合作用过程的图解来构建知识体系,光合作用需要光，主要吸收的是什么光？怎么设计实验证明？光对光合作用的影响体现在哪些方面？（光的强度，光照时间，光质）如何设计实验证明不同光谱的光对光合作用的影响？二氧化碳是光合作用的原

29、料。如何设计实验证明？光合作用产生了氧气。怎么证明？光合作用放出的氧气来自于原料中的何种物质？又有什么办法进行证明？,策略3：试题的训练,适当增加有关基本事实、概念、原理和规律的辨析选择试题的训练，帮助学生抓住概念的本质及相关概念的本质区别。,2.重视生物学研究方法 :高考的重要方面,也是落实新课程理念的基础,贯穿生物学教学和复习的始终. 策略:通过生物科学史渗透(C4植物);设计探究性的教学(C4途径)3.重视生物学基本能力 :识图能力,图文转换能力等,4.重视帮助学生学会用光合作用有关原理来分析和解决各种实际问题-综合应用能力. 策略:从实际出发，创设激发学生兴趣的问题情景.例如,提出高产措施?或分析某管理措施的原理?,5.重视生物学观点渗透 结构与功能相统一的观点、生物进化的观点、生态学观点、生物体的结构与环境相适应的观点 。形成和运用这些生物学观点来分析和解决现实生活中的问题，是生物科学教育的终极目标.,关注高考，了解命题趋势,谢谢！请批评指正！,